礦井液壓支架自動化跟機控制系統設計

左勝輝

(西山煤電集團有限公司 東曲礦多經公司更新廠，山西 古交 030200)

0 引言

礦井綜采工作面的開采環境復雜惡劣，存在很大的安全隱患，尤其是薄煤層工作面，實際工作空間非常狹小，不利于人工現場實時操控設備。目前礦井機械化開采自動化水平低，通常通過人工手動控制方式或者半自動方式進行設備控制，對機械設備不能做到物盡其用，而且設備之間聯動性差，往往只能進行單一動作或是單設備動作，嚴重影響了煤礦的開采效率和經濟效益。同時，目前煤礦開采過于依靠人工現場的控制方式進行操作，工人勞動強度大[1，2]。

為提高綜采工作面的自動化技術水平，降低人工成本，本文設計了一套集信息全面檢測、聯動控制、遠程通信三位一體的液壓支架自動化跟機控制系統，通過對液壓支架和采煤機全方位、全生命周期的動態信息檢測，使液壓支架可根據采煤機的工作位置和運行方向實現自動化跟機，顯著提高了設備的自動化水平，降低了人工成本。

1 系統總體方案

圖1為液壓支架自動化跟機控制系統的總體框圖。整個系統由上位機監控平臺、主控制器、液壓支架分控制器、液壓支架傳感檢測系統、采煤機傳感檢測系統、視頻監控系統和電磁閥驅動模塊等組成。

圖1 液壓支架自動化跟機控制系統的總體框圖

其中，上位機監控平臺用于顯示成組支架的傳感檢測數據、支架的動作信息、采煤機的位置信息，根據相應的分析和判斷發布控制操作指令，此外還具備打印、數據存儲、故障報警等功能；主控制器發揮承上啟下的功能，用于進行支架分控制器和上位機之間的信息雙向傳輸及對采煤機位置的分析判斷，主控制器與支架分控制器之間通過SPI方式進行數據傳輸；支架分控制器用于直接監測液壓支架的運行工況，同時直接控制支架進行相應的推溜、移架、護幫、護頂、循環割煤等動作，各支架控制器之間通過CAN總線進行信息交流；采煤機傳感檢測系統用于實時定位采煤機的推進位置、距離、方向，并反饋給支架分控制器，為支架的移架動作提供數據支持；液壓支架傳感檢測系統用于檢測液壓支架的各部位受壓情況、姿態變化情況及千斤頂推移情況，作為支架故障的判據；電磁閥驅動電路用于驅動液壓回路執行千斤頂的伸縮動作；視頻監控系統負責進行圖像檢測，以更直觀、更全面的方式給工作人員提供液壓支架、采煤機的運行情況。

2 硬件方案設計與選型

2.1 控制器設計與選型

主控制器負責采集所有檢測數據并進行智能處理，包括采煤機傳感檢測系統及各液壓支架傳感檢測系統的數據，同時下發控制指令。主控制器選用 BCM2835 芯片，該芯片具備40個 GPIO口，可支持多個支架分控制器與主控制器進行 SPI 總線信號傳輸，同時支持HDMI/VGA/DVI 等多種視頻信號輸出[3]。

支架分控制器是液壓支架實現跟機自動化的核心設備，每架液壓支架皆配置一臺分控制器，同時配置相應的電磁閥、傳感器，各分控制器之間通過CAN總線進行連接。根據實際需求，分控制器選用STM32F103ZET6單片機，該型號單片機擴展性強、運行速度快，擁有2個CAN接口、3個SPI接口，完全滿足系統需求。

2.2 傳感檢測系統設計與選型

系統包含兩個傳感檢測系統，即采煤機傳感檢測系統和液壓支架傳感檢測系統。

采煤機傳感檢測系統通過紅外傳感器、D齒輪傳感器配合檢測的方式來精準定位采煤機的實時位置和運行方向，為液壓支架的推移操作提供數據支持。將D齒輪傳感器安裝于采煤機牽引部齒輪上，該傳感器可實時統計行走部牽引齒輪的脈沖，以此來測算采煤機的行走距離。紅外傳感器包括紅外發射器和紅外接收器兩部分。紅外發射器安裝在采煤機機身，紅外接收器安裝在液壓支架上，兩者相互配合，當采煤機向前移動時，紅外接收器會收到紅外信號，支架分控制器根據接收的信號便可得到采煤機的工作位置信息。

液壓支架傳感檢測系統包括3個傾角傳感器、1個壓力傳感器和一個行程傳感器，每臺液壓支架都要配置。3個傾角傳感器分別安裝于頂梁、掩護梁和底座，用于實時檢測液壓支架的支護位姿；位移傳感器負責檢測支架的移架距離；壓力傳感器負責檢測立柱的支撐壓力，用于實時檢測支架立柱升柱或者降柱的壓力信號，為判斷液壓支架的狀態提供數據支持。

本文對需要的傳感器進行了具體選型，表1為傳感器的具體型號。

表1 傳感器具體選型

2.3 信號轉換電路設計

傳感檢測系統輸出的電壓信號為4.5 V，與液壓支架分控制器的電壓識別信號不一致，故設計如圖2所示的傳感器信號轉換電路進行信號調理，調理完成后再輸入支架分控制器。

圖2 傳感器信號轉換電路

3 系統軟件方案設計

實現液壓支架自動化跟機需要多種自動化控制動作相互配合完成，主要包括支架“降移升”和推溜循環動作，該項工作主要由支架分控制器控制完成。分控制器選用STM32F103ZET6單片機，使用KeilμVision4開發工具進行程序開發，該軟件是德國Keil 公司的一款可以無縫對接STM32F103ZET6微控制器的開源軟件，集編譯、仿真、下載等功能于一體，其編程便捷，操作方便，對編程人員非常友好[4]。圖3為液壓支架自動化跟機動作的流程框圖。

圖3 液壓支架自動化跟機動作流程框圖

具體工作流程為：主控制器根據紅外傳感器和D齒輪傳感器反饋的信息，精準定位采煤機的運行位置和方向，進而根據事先設定的控制流程控制液壓支架相應的降移升動作和推溜動作。在液壓支架移架過程中，除了進行動作之外，同時需要傳感器檢測系統實時反饋液壓支架的執行動作情況，由此判斷移架具體的執行程度。過程中加了電平檢測環節，當檢測電平為“1”時，說明移架動作順利執行；當檢測電平為“0”時，說明未執行移架操作，需要按照設定要求重新執行。

4 結論

礦井綜采工作面工作環境復雜，原有設備的自動化水平已經無法滿足當下煤礦開采的需求。本文利用傳感器檢測技術、微控制器技術、網絡通信技術等設計了一套液壓支架自動化跟機控制系統，實現了液壓支架與采煤機的協調控制與聯動工作，通過采煤機傳感檢測系統、液壓支架傳感檢測系統的協同配合使用，不僅實現了液壓支架的跟機自動化，而且實現了液壓支架、采煤機的閉環管理和液壓支架降移升精準的循環控制，具有很大的應用價值。